CN116079194B - 一种窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法 - Google Patents

一种窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于抽水蓄能机组转轮的生产制造领域，尤其涉及一种窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法，上冠分环备料，分环焊缝设计为I型窄间隙气保焊坡口，下环整体备料，先进行上冠与叶片的装配，借助辅助环调节叶片装配角度及尺寸，之后去除辅助环，装配下环，拆除上冠外环，进行叶片与上冠内环、叶片与下环的焊接，再回装上冠外环，焊接上冠内环与上冠外环之间的窄间隙气保焊焊缝，之后焊接叶片与上冠外环焊缝。本发明适用于叶片包角更大、流道更长、开口尺寸更小的大型抽水蓄能转轮制造，可以使叶片进出口角度、进水边开口、出水边节距装焊精度更高，分环焊缝焊接填充量减少60%，变形更小，降低成本，确保转轮制造与水力性能设计的一致性。

Description

一种窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法
技术领域
本发明涉及抽水蓄能机组转轮的生产制造领域，尤其涉及一种窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法。
背景技术
抽水蓄能转轮叶片流道狭长，开口高度不足300mm，狭小空间内焊接难度大，过程复杂。且转轮制造尺寸精度直接影响机组出力、稳定性及运行效率。
现有技术中，如公开号为CN113601058A，公开时间为2021年11月5日，名称为“一种抽水蓄能机组长短叶片转轮焊接的方法”的中国发明专利文献，属于焊接技术领域。其特征在于根据转轮制作1:1模型，根据所述1:1模型得到所述转轮的分步装焊工艺，上冠、多块叶片和下环进行预安装，确定多块所述叶片的位置；吊起整个上冠，叶片与下环焊接，放下上冠，叶片与上冠焊接。本发明的焊接过程简单、安全、可靠，时效性强，可重复操作性强，方法效率高，经济效益明显。
但上述技术方案没有解决狭长叶片与上冠焊缝因空间小，焊工无法进入，流道中间部位焊接不可达、质量难保证的问题。
再如文献“抽水蓄能机组水轮机转轮装焊制造技术”，抽水蓄能电站工程建设文集（2009）会议论文，介绍了下环分环的蓄能转轮装焊方法，该方法中转轮叶片包角超过100°，9个叶片相同，考虑到转轮焊接的可操作性和可视性，转轮下环分为下环内环和下环外环两段，下环内环和下环外环之间对接环缝采用常规V形或U型坡口，且钝边厚度一致，采用无下环装配技术，分步装焊工艺是：(1)装焊上冠、叶片和下环内环；(2)第一步检查合格后，装焊下环外环。
上述技术方案解决了叶片流道狭小空间焊接可达性问题，采取的在下环分环方式，也是常用的技术方案。但统计实际应用情况，发现下环合缝焊后残余应力的分布，易使转轮退火后进水边区域产生下挠，易造成转轮加工时联轴法兰处减薄，如果下环分环坡口采用常规坡口形式，极大的焊接填充量大容易加重上述趋势。因此，依然没有解决蓄能转轮制造尺寸精度的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种新的窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法，具体包括以下步骤：
S1、转轮上冠整体备料后在设计位置加工断开为上冠内环和上冠外环，上冠内环和上冠外环连接接头加工为钝边非对称的I型窄间隙坡口，所述钝边非对称的I型窄间隙坡口为坡口根部的钝边厚度左右非对称；
S2、将经过S1加工的上冠内环和上冠外环把合为整体，与叶片、辅助环装配，借助辅助环调整叶片装配尺寸后，吊离辅助环，装配下环，拆除上冠外环，焊接叶片与上冠内环和叶片与下环间焊缝，打磨焊缝的过渡圆角；
S3、回装上冠外环，使上冠外环与上冠内环的窄间隙坡口背面过流面对齐形成待焊接的钝边非对称的I型窄间隙坡口，窄间隙坡口焊缝开口向上冠的外侧；
S4、采用机器人窄间隙气保焊设备对经过S3组对的转轮上冠钝边非对称的I型窄间隙坡口进行单面焊接，钝边非对称的I型窄间隙坡口焊缝根部先焊接1~2层AWS ER316L焊接材料，之后填充采用AWS ER410NiMo焊接材料，直至填满坡口，再焊接完成上冠外环与叶片间焊缝；
采用机器人窄间隙气保焊机器人进行单面焊接时，采用多层单道焊接工艺，窄间隙气保焊设备的枪头与钝边非对称的I型窄间隙坡口对中，按照焊丝左右摆动至距侧壁2mm~3.5mm的摆动模式焊接完第一圈，每圈焊接枪头焊接旋转361°，重复上述每层单道焊接直至焊接完成。
在上述窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法中，所述S1中，钝边非对称的I型窄间隙坡口是指上冠内环和上冠外环焊接端边缘自过流面侧内壁向外壁的近似垂直开口，且两侧坡口对齐要保证过流面曲率，而呈现两侧钝边厚度不均匀。
在上述窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法中，所述钝边非对称的I型窄间隙坡口钝边厚度t不大于3mm，I型窄间隙坡口钝边间隙g为1mm~3mm。
在上述窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法中，所述S2中，焊接叶片与上冠内环和叶片与下环间焊缝时，将转轮穿中心轴横卧在转动装置上，焊接过程转动转轮，使焊缝始终处于平焊或横焊的最佳位置。
在上述窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法中，所述S3中，窄间隙坡口背面过流面对齐，错口小于1mm，I型窄间隙坡口钝边间隙g控制在2mm~3mm。
在上述窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法中，所述S4中，采用机器人窄间隙气保焊进行单面焊接是在主保护气和二次保护气两层保护气体环境下进行的，所述保护气体为95%Ar+5%CO2，主保护气体流量为25L/min，二次保护气体流量为30L/min。
在上述窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法中，所述S4中，I型窄间隙坡口焊缝根部AWS ER316L焊丝打底焊接，电流190~210A，电压23.3~26V，焊接速度15~20cm/min，收弧电流70%，收弧电流时间2.2s，采用左焊法。
在上述窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法中，所述S4中，I型窄间隙坡口焊缝填充AWS ER410NiMo焊丝，电流270~300A，电压26~28V，焊接速度15~20cm/min，收弧电流70%，收弧电流时间2.2s，采用右焊法。
由于采用以上的技术方案，本发明的有益效果是：
本发明适用于叶片包角更大、流道更长、开口尺寸更小的高水头、高转速的大型抽水蓄能转轮制造，可以使叶片进出口角度、进水边开口、出水边节距、转轮高度及径向尺寸装焊精度更高，上冠分环窄间隙焊缝焊接填充量减少60%以上，变形更小，降低了成本。本发明保证转轮整体尺寸的高精度，确保转轮制造与水力性能设计的一致性。
附图说明
图1为本发明的转轮的一种优选方案剖视图；
图2为本发明窄间隙坡口焊缝一种优选方案示意图；
图3为本发明的转轮上冠、叶片与辅助环一种优选方案连接示意图；
图4为本发明的转轮穿中心轴一种优选方案示意图；
图标记说明：1-上冠内环，2-上冠外环，3-钝边非对称的I型窄间隙坡口，4-长叶片，5-短叶片，6-辅助环，7-下环，8-叶片，9-中心轴；
t-I型窄间隙坡口钝边厚度；g- I型窄间隙坡口钝边间隙；H-上冠分环处厚度；D-I型窄间隙坡口根部宽度；F- I型窄间隙坡口顶部宽度；R- I型窄间隙坡口根部过渡圆半径。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和有益效果更加清晰明了，下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地叙述。显然，以下实施例是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出任何创造性劳动的前提下所获取的其他实施例，都在本发明的保护范围内。
实施例1
如图1至图4，一种窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法，包括以下步骤：
S1、转轮上冠整体备料后在设计位置加工断开为上冠内环1和上冠外环2，上冠内环1和上冠外环2连接接头加工为钝边非对称的I型窄间隙坡口3，所述钝边非对称的I型窄间隙坡口3为坡口根部的钝边厚度左右非对称；
S2、将经过S1加工的上冠内环1和上冠外环2把合为整体，与叶片8、辅助环6装配，借助辅助环6调整叶片8装配尺寸后，吊离辅助环6，装配下环7，拆除上冠外环2，焊接叶片8与上冠内环1和叶片8与下环7间焊缝，打磨焊缝的过渡圆角；
S3、回装上冠外环2，使上冠外环2与上冠内环1的窄间隙坡口背面过流面对齐形成待焊接的钝边非对称的I型窄间隙坡口，窄间隙坡口焊缝开口向上冠的外侧；
S4、采用机器人窄间隙气保焊设备对经过S3组对的转轮上冠钝边非对称的I型窄间隙坡口焊缝进行单面焊接，钝边非对称的I型窄间隙坡口焊缝根部先焊接1~2层AWSER316L焊接材料，之后填充采用AWS ER410NiMo焊接材料，直至填满坡口，再焊接完成上冠外环2与叶片8间焊缝。
这是本发明的一种最基本的实施方案。上冠分为上冠内环、上冠外环，解决了叶片流道狭小空间焊接可达性问题，且此位置焊接变形趋势有效预防后序联轴法兰减薄问题，连接接头加工为钝边非对称的I型窄间隙坡口，极少的焊接填充量大大降低焊接残余应力和变形。叶片的位置尺寸精度，直接影响转轮的水力性能，借助辅助环装配技术，更有利于叶片装配尺寸的精确调整，从而保证转轮实际制造得到的水力性能达到模型验收时的性能指标。采用机器人窄间隙气保焊设备进行转轮上冠内环与上冠外环间窄间隙坡口焊接，每圈连续焊接，无接头，提高焊接效率，且质量更稳定。先焊接上冠环缝，再焊接上冠外环与叶片间焊缝，钝边非对称的I型窄间隙坡口尺寸更容易保证单面焊双面成型，且窄间隙坡口极少的填充量带来的焊接变形很小，不影响上冠外环与叶片装配尺寸和转轮进水边开口尺寸。钝边非对称的I型窄间隙坡口根部先焊接1~2层AWS ER316L焊接材料，之后填充采用AWSER410NiMo焊接材料，对于不清根焊缝，有更好的抗裂性能。
实施例2
如图1至图4，本实施方式是对具体实施方式一所述的S1作进一步限定，本实施方式中，所述S1中，钝边非对称的I型窄间隙坡口3是指上冠内环1和上冠外环2焊接端边缘自过流面侧内壁向外壁的近似垂直开口，且两侧坡口对齐要保证过流面曲率，而呈现两侧I型窄间隙坡口钝边厚度t不均匀。所述钝边非对称的I型窄间隙坡口钝边厚度t不大于3mm，I型窄间隙坡口钝边间隙g为1mm~3mm。
这是本发明的一种优选的实施方案，钝边非对称的I型窄间隙坡口尺寸设计，实现了上冠分环处焊缝的窄间隙气保焊单面焊双面成型，近似垂直的开口，大大减少焊接填充量，且突破了对接单面焊双面成型对坡口根部钝边一致的限制。
实施例3
如图1至图4，本实施方式是对具体实施方式一所述的S2作进一步限定，本实施方式中，所述S2中，焊接叶片8与上冠内环1和叶片8与下环7间焊缝时，将转轮穿中心轴9横卧在转动装置上，焊接过程转动转轮，使焊缝始终处于平焊或横焊的最佳位置。
这是本发明的一种优选的实施方案，焊接叶片与上冠内环和叶片与下环间焊缝时，转轮横卧且可以周向转动，保证焊缝始终处于平焊或横焊的最佳位置，从而提高焊接生产效率，且保证焊缝质量。
实施例4
如图1至图4，本实施方式是对具体实施方式一所述的S3作进一步限定，本实施方式中，所述S3中，窄间隙坡口背面过流面对齐，错口小于1mm，I型窄间隙坡口钝边间隙g控制在2mm~3mm。
这是本发明的一种优选的实施方案，转轮上冠回装后形成的I型窄间隙坡口错口和间隙值，可以实现很好的焊缝正面和背面成型，上冠合缝背面仅需简单的打磨，使过流面平顺即可，简化生产工序。
实施例5
如图1至图4，本实施方式是对具体实施方式一所述的S4作进一步限定，本实施方式中，所述S4中，采用机器人窄间隙气保焊进行单面焊接是在主保护气和二次保护气两层保护气体环境下进行的，所述保护气体为95%Ar+5%CO2，主保护气体流量为25L/min，二次保护气体流量为30L/min。
所述S4中，I型窄间隙坡口焊缝根部AWS ER316L焊丝打底焊接，电流190~210A，电压23.3~26V，焊接速度15~20cm/min，收弧电流70%，收弧电流时间2.2s，采用左焊法。
所述S4中，I型窄间隙坡口焊缝填充AWS ER410NiMo焊丝，电流270~300A，电压26~28V，焊接速度15~20cm/min，收弧电流70%，收弧电流时间2.2s，采用右焊法。
所述机器人窄间隙气保焊机器人进行单面焊接时，采用多层单道焊接工艺，窄间隙气保焊设备的枪头与钝边非对称的I型窄间隙坡口3对中，按照焊丝左右摆动至距侧壁2mm~3.5mm的摆动模式焊接完第一圈，每圈焊接枪头焊接旋转361°，重复上述每层单道焊接直至焊接完成。
这是本发明的一种优选的实施方案，焊接上冠窄间隙坡口焊缝时，加二次保护气，避免焊缝气孔缺陷。I型窄间隙坡口焊缝根部AWS ER316L焊丝打底焊接工艺参数及左焊法，保证打底层焊缝能够熔透且不至于焊漏，保证打底层焊缝质量。I型窄间隙坡口焊缝填充AWS ER410NiMo焊丝工艺参数及右焊法，有效保证熔深。窄间隙气保焊设备的枪头与I型窄间隙坡口对中，按照焊丝左右摆动至距侧壁2mm~3.5mm，保证焊缝侧壁熔合。每圈焊接枪头焊接旋转361°，使每圈起弧点与收弧点错开，避免产生焊接缺陷。
实施例6
以抽水蓄能长短叶片结构转轮为例，对本发明窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法进行具体说明：
（a）备料：上冠整体备料后按分环位置车断为上冠内环1和上冠外环2，并加工上冠分环组合焊缝为钝边非对称的I型窄间隙坡口3，叶片按长叶片4和短叶片5备料，下环7整体备料，其中长叶片4包角为150°~155°，流道长3300~3600mm，钝边非对称的I型窄间隙坡口根部宽度D为14~16mm，I型窄间隙坡口顶部宽度F比D宽2mm，I型窄间隙坡口钝边厚度t为1~2mm，上冠分环处厚度H为105~110mm；
（b）一次装配：对长叶片4和短叶片5称重，根据配重计算叶片装配位置，上冠内环1和上冠外环2把合为整体，倒放于支墩上，按配重排序吊装长叶片4和短叶片5，长叶片4和短叶片5交替均布，在叶片水轮机工况进水边装配辅助环6，借助辅助环6定位，使用样板工具或FARO测量并调整叶片装配角度等尺寸，叶片装配尺寸调整合格后拆除辅助环，装配下环7，控制上冠与下环7间装配高度加高4mm~6mm；
（c）一次定位焊：各项尺寸调整合格后使用搭板将长叶片4和短叶片5焊接固定，对上冠内环1与长叶片4、上冠内环1与短叶片5、下环7与长叶片4、下环7与短叶片5间焊缝进行定位焊；
（d）拆除上冠外环2：下环7装焊翻身吊攀，转轮整体翻身正放，对上冠内环1和上冠外环2做明显装配标记，拆开并吊离上冠外环2；
（e）一次焊接：将转轮穿中心轴9横卧在转动装置上，焊接过程转动转轮，使焊缝始终处于平焊或横焊的最佳位置，焊接长叶片4和短叶片5与上冠内环1、下环7间焊缝；
（f）一次焊后处理：粗磨长叶片4和短叶片5与上冠内环1的焊缝、与下环7间的焊缝，形成过渡圆根，使用打磨圆根检查样板检查后进行一次退火，一次退火后精磨已完成焊缝；
（g）二次装配：将转轮正放于平台，按装配定位标记回装上冠外环2，保证上冠外环2与上冠内环1间焊缝坡口根部的错口和间隙，错口小于1mm，I型窄间隙坡口钝边间隙g控制在2mm~3mm，上冠外环2与上冠内环1焊缝背面贴陶瓷衬垫，调整上冠外环2水平度不大于1.5mm，上冠外环2与下环7同轴度不大于0.5mm，控制上冠外环2与下环7间装配尺寸加高2mm~3mm；
（h）二次定位焊：进行上冠外环2与叶片间的定位焊；
（i）二次焊接：先焊接上冠内环1与上冠外环2之间的焊缝，再焊接完成上冠外环2与叶片间焊缝坡口，上冠内环1与上冠外环2之间的焊缝采用窄间隙气保焊方法，打底两层采用Φ1.2mm的 AWS ER316L焊丝，填充及盖面采用Φ1.2mm的AWS ER410NiMo焊丝；
（j）粗磨：粗磨上冠外环2与叶片间焊缝形成过渡圆根，铲磨上冠内环1和上冠外环2间过流侧焊缝。
（k）检查：对所有焊缝进行UT探伤检查，对粗磨焊缝外观及圆根尺寸进行检查，检查叶片进出口角度、进水边开口、出水边节距、转轮高度及径向尺寸。
（l）最终退火：转轮倒放位置退火，采用工具环支撑，支撑位置为上冠外环2。
（m）检查：重复步骤k的检查；
（n）精磨：对转轮焊缝全面精磨。
以上对本发明及其实施方式进行了举例描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也仅是本发明的实施方式之一，实际的实施内容并不局限于此。总而言之，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的实施方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法，其特征包括如下步骤：
S1、转轮上冠整体备料后在设计位置加工断开为上冠内环（1）和上冠外环（2），上冠内环（1）和上冠外环（2）连接接头加工为钝边非对称的I型窄间隙坡口（3），所述钝边非对称的I型窄间隙坡口（3）为坡口根部的钝边厚度左右非对称；
S2、将经过S1加工的上冠内环（1）和上冠外环（2）把合固定为整体，与叶片（8）、辅助环（6）装配，借助辅助环（6）调整叶片（8）装配尺寸后，吊离辅助环（6），装配下环（7），拆除上冠外环（2），焊接叶片（8）与上冠内环（1）和叶片（8）与下环（7）之间的焊缝，打磨焊缝的过渡圆角；
S3、回装上冠外环（2），使上冠外环（2）与上冠内环（1）的窄间隙坡口背面过流面对齐形成待焊接的钝边非对称的I型窄间隙坡口（3），窄间隙坡口焊缝开口向上冠的外侧；
S4、采用机器人窄间隙气保焊设备对经过S3组对的转轮上冠钝边非对称的I型窄间隙坡口（3）进行单面焊接，钝边非对称的I型窄间隙坡口（3）焊缝根部先焊接1~2层AWS ER316L焊接材料，之后填充采用AWS ER410NiMo焊接材料，直至填满坡口，再焊接完成上冠外环（2）与叶片（8）间焊缝；
采用机器人窄间隙气保焊机器人进行单面焊接时，采用多层单道焊接工艺，窄间隙气保焊设备的枪头与钝边非对称的I型窄间隙坡口（3）对中，按照焊丝左右摆动至距侧壁2mm~3.5mm的摆动模式焊接完第一圈，每圈焊接枪头焊接旋转361°，重复上述每层单道焊接直至焊接完成。
2.根据权利要求1所述的一种窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法，其特征在于：所述S1中，钝边非对称的I型窄间隙坡口（3）是指上冠内环（1）和上冠外环（2）焊接端边缘自过流面侧内壁向外壁的近似垂直开口，且两侧坡口对齐要保证过流面曲率一致，而呈现两侧钝边厚度不均匀。
3.根据权利要求1或2所述的一种窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法，其特征在于：所述钝边非对称的I型窄间隙坡口（3）钝边厚度t不大于3mm，I型窄间隙坡口钝边间隙g为1mm~3mm。
4.根据权利要求1所述的一种窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法，其特征在于：所述S2中，焊接叶片（8）与上冠内环（1）和叶片（8）与下环（7）间焊缝时，将转轮穿中心轴（9）横卧在转动装置上，焊接过程转动转轮，使焊缝始终处于平焊或横焊的位置。
5.根据权利要求1所述的一种窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法，其特征在于：所述S3中，窄间隙坡口背面过流面对齐，错口小于1mm，I型窄间隙坡口钝边间隙g控制在2mm~3mm。
6.根据权利要求1所述的一种窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法，其特征在于：所述S4中，采用机器人窄间隙气保焊进行单面焊接是在主保护气和二次保护气两层保护气体环境下进行的，所述保护气体为95%Ar+5%CO2，主保护气体流量为25L/min，二次保护气体流量为30L/min。
7.根据权利要求1所述的一种窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法，其特征在于：所述S4中，I型窄间隙坡口焊缝根部AWS ER316L焊丝打底焊接，电流190~210A，电压23.3~26V，焊接速度15~20cm/min，收弧电流70%，收弧电流时间2.2s，采用左焊法。
8.根据权利要求1所述的一种窄间隙气体保护焊辅助抽蓄转轮分环装焊方法，其特征在于：所述S4中，I型窄间隙坡口焊缝填充AWS ER410NiMo焊丝，电流270~300A，电压26~28V，焊接速度15~20cm/min，收弧电流70%，收弧电流时间2.2s，采用右焊法。
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